신소재공학부 원병묵 교수는 땀방울의 불완전 증발 때문에 체감온도가 상승하는 원리를 최초로 규명했다고 밝혔다.

지구 온난화 때문에 덥고 습한 날이 많아지면서 유럽과 미국에서는 덥고 습한 날 사망하는 사례가 속출하고 있다. 기온과 습도에 따라 달라지는 체감온도는 ‘열지수 (Heat Index)’라는 값에 의해 결정된다. 열지수는 전 세계 거의 모든 국가에서 일기예보에 활용하고 있다. 가령, 습도가 70%이며 32°C인 날의 열지수는 41°C이다. 즉, 우리가 느끼는 체감온도는 41°C이다. 건조한 날에 비해 습한 날은 더 높은 체감온도를 경험한다. 아주 습하고 더운 날은 열지수가 높고 체온 유지가 어려워 생명이 위험할 수 있다. 하지만 열지수의 정확한 물리적 근원에 대해서는 알려진 바가 거의 없다. ‘습하고 무더운 날 체온 유지가 어렵다’ 정도만 알고 있을 뿐이다.

우리 몸은 땀을 방출하여 땀방울이 증발할 때 열을 내보내 체온을 유지한다. 체온 유지는 생명 유지에 중요한 작용으로서 일상 생활 또는 운동할 때와 같이 우리의 건강과 직결되어 있다. 이토록 땀을 흘리면 체온이 내려간다는 것은 잘 알려진 사실이지만, 기온과 습도에 따라 땀에 의한 체온 유지 메커니즘이 어떻게 열지수와 관련 있는지 정확하게 밝혀진 것이 없다.

원병묵 교수 연구팀은 땀방울이 순수한 물방울과 약 1% 염분 차이가 발생한다는 사실에 착안하여, 기온과 습도에 따른 땀방울 증발 현상을 정밀 관찰하였으며, 땀방울이 순수한 물방울과 달리, 무덥고 습한 조건에서 완전 증발이 되지 않고 일부의 물이 잔존하는 ‘불완전 증발’을 한다는 사실을 발견했다. 땀방울의 불완전 증발에 따른 열손실을 측정하여 습한 환경에서 땀방울의 불완전 증발이 높은 열지수의 물리적 근원이라는 사실을 최초로 입증했다.

낮은 습도에서는 땀방울이 완전히 증발하여 땀 침전물만을 남기는 반면, 높은 습도에서는 땀 침전물 뿐만 아니라 수분이 잔류하고 있다. 높은 습도에서는 땀 잔여물이 주위 공기에서 수분을 지속적으로 흡수하기 때문이다. 이러한 불완전 증발은 땀증발에 의한 열전달 효율을 감소시켜 열지수를 높이고 신체의 체온 조절 능력을 떨어뜨린다.

땀방울의 체온 유지 메커니즘에 대한 이해는 습하고 더운 날씨가 자주 등장하는 최근 기후 위기에 맞서, 인류의 건강 보건, 스포츠 과학, 일기 예보, 기능성 소재 개발 등에 매우 중요하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

이번 연구 결과는 4월 16일 미국화학회가 발행하는 환경과학 분야 저명 학술지 ‘환경과학과 기술 (Environmental Science & Technology)’에 표지 논문으로 게재됐다. 이번 연구성과는 한국연구재단이 지원하는 대학중점연구소사업과 아모레퍼시픽의 연구비 지원을 통해 수행되었다.

※ 저널: Environmental Science & Technology (2024), Impact factor 11.4 (2022년 기준), JCR 환경과학 분야 상위 6.7% 저널

※ 논문제목: Heat transfer by sweat droplet evaporation

※ DOI 10.1021/acs.est.4c00850

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.4c00850

※ 공동 제1저자: Mohadese Beigtan 박사, Marta Gonçalves 박사

※ 교신 저자: 원병묵 교수 (성균관대학교 신소재공학부)

땀방울의 불완전 증발이 열지수의 원인이라는 연구 결과

표지 논문, 4월 16일 출판